Syntese og karakterisering av høy c-aksen ZnO Thin Film etter Plasma Enhanced Chemical Vapor Nedfall System og dens UV Fotodetektor Application
Summary
We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.
Abstract
I denne studien, har sinkoksyd (ZnO) tynne filmer med høy c -akse (0002) foretrukket orientering er vellykket og effektivt syntetisert på silisium (Si) substrater via forskjellige temperaturer syntetisert ved hjelp av plasma forbedret kjemisk dampavsetning (PECVD) system. Effekten av forskjellige syntetiserte temperaturer på krystallstruktur, overflate morfologi og optiske egenskaper er blitt undersøkt. Den røntgendiffraksjon (XRD) mønster indikerte at intensiteten (0002) diffraksjon topp ble sterkere med økende syntetisert temperatur inntil 400 o C. Diffraksjon intensitet (0002) peak gradvis ble svakere følger med utseendet (10-10) diffraksjon topp som den syntetiserte temperaturen opp til overkant av 400 o C. RT photoluminescence (PL) spektrene viste en sterk nær-band-kant (NBE) utslipp observert på rundt 375 nm og en ubetydelig dyp-nivå (DL) utslipp som ligger på rundt 575 nm under høy c -aksen ZnO tynne filmer. Feltavgi scanning elektronmikroskopi (FE-SEM-bilder) avslørte homogen overflate og med liten kornstørrelsesfordeling. ZnO tynne filmer har også blitt syntetisert på glassunderlag under de samme parametere for måling av transmisjonen.
For formålet med ultrafiolett (UV) fotodetektor søknad, interdigitated platina (Pt) tynn film (tykkelse ~ 100 nm) fremstilt via konvensjonell optisk litografi prosess og radiofrekvens (RF) sputtering. For å nå ohmsk kontakt ble anordningen glødet i forhold argon ved 450 ° C ved hurtig termisk gløding (RTA) system i 10 minutter. Etter at systematiske målinger, strøm-spennings (I – V) kurven av bildet og mørkestrøm og tidsavhengige photoresponsresultater oppviste en god responsivitet og pålitelighet, noe som indikerer at den høye c-aksen ZnO tynn film er en egnet føle sjiktfor UV fotodetektoren søknad.
Introduction
ZnO er et lovende bred-bånd-gap funksjonelle halvledermaterialet på grunn av sine unike egenskaper som høy kjemisk stabilitet, lav pris, ikke-toksisitet, lav effekt terskel for optisk pumping, bred direkte båndgap (3,37 eV) ved RT og store exciton bindingsenergien av ~ 60 meV 1-2. Nylig har ZnO tynne filmer vært ansatt i mange bruksområder, inkludert transparente ledende oksid (TCO) filmer, blått lys emitting enheter, felteffekttransistorer, og gass-sensor 3-6. På den annen side, er en kandidat ZnO materiale for å erstatte indiumtinnoksid (ITO) på grunn av indium og tinn er sjeldne og dyre. Videre besitter ZnO høy optisk transmisjon i det synlige bølgelengdeområdet, og med lav resistivitet, sammenlignet med ITO filmer 7-8. Følgelig har fabrikasjon, karakterisering og anvendelse av ZnO blitt omfattende rapportert. Denne studien fokuserer på å syntetisere høye c-aksen (0002) ZnO tynne filmer ved en enkel end effektiv fremgangsmåte og dens praktiske anvendelse mot en UV-fotodetektor.
Den nylige undersøkelser rapporterer resultatene indikerer at den høye kvaliteten ZnO tynn film kan bli syntetisert ved forskjellige teknikker slik som sol-gel-metoden, radiofrekvens sputtering, metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD), og så videre 9-14. Hver teknikk har sine fordeler og ulemper. For eksempel, er en prinsipiell fordel med spruteavsetning som er rettet mot materialer med meget høyt smeltepunkt er lettvint freste på substratet. I motsetning til dette, er spruteprosessen vanskelig å kombinere med en lift-off for å strukturere filmen. I vår studie ble plasma forbedret kjemisk dampavsetning (PECVD) system ansatt for å syntetisere høy kvalitet c aksen ZnO tynne filmer. Plasma bombardement er en nøkkelfaktor i å syntetisere prosess som kan øke den tynne filmen tetthet og styrke ion dekomponeringsreaksjonen hastighet 15. Itillegg har høy vekstrate og stor-området enhetlig deponering er andre særegne fordeler for PECVD teknikk.
Med unntak for syntesen teknikk, god adhesjon på substratet er en annen sak disse er vurdert. I mange studier har c -planet safir blitt mye brukt som substrat for å syntetisere høy c -aksen ZnO tynne filmer fordi ZnO og safir har samme heksagonale gitterstrukturen. Imidlertid var ZnO syntetisert på safir-substrat som oppviser ru overflate morfologi og høy rest (feilrelatert) konsentrasjoner bærer på grunn av de store gitter mistilpassede mellom ZnO og c -planet safir (18%) orientert i den retning i planet 16. Sammenlignet med safir-substrat, er en Si-skive en annen mye brukt substrat for syntese ZnO. Si wafere har vært mye brukt i halvlederindustrien; og derfor er meget viktig og nød- vekst av høy kvalitet ZnO tynne filmer på substrater Sivendig. Dessverre, det krystallstruktur og termisk utvidelse koeffisient mellom ZnO og Si er åpenbart annerledes fører til forringelse av krystall kvalitet. Over det siste tiåret, har store anstrengelser er gjort for å forbedre kvaliteten på ZnO tynne filmene på Si underlag ved hjelp av ulike metoder, inkludert ZnO buffer lag 17, gløding i ulike gassatmosfære 18, og passivisering av Si substratoverflate 19. Den foreliggende undersøkelse med hell tilbudt en enkel og effektiv metode for å syntetisere høy c -aksen ZnO tynn film på Si-substrater uten bufferlaget eller forbehandling. Resultatene fra eksperimentet indikerte at ZnO tynne filmer syntetisert under optimale veksttemperatur viste god krystall og optiske egenskaper. Den krystallinske struktur, RF-plasma sammensetning, overflatemorfologi og optiske egenskapene til ZnO tynne filmer ble undersøkt ved røntgendiffraksjon (XRD), optisk emisjonsspektroskopi (OES), feltavgi scAnning elektronmikroskopi (FE-SEM), og RT photoluminescence (PL) spektra, respektivt. Videre er transmittans av ZnO tynne filmer ble også bekreftet og rapportert.
Nysyntetisert ZnO tynn film fungerte som en sensing lag for UV photodetector søknaden ble også undersøkt i denne studien. UV-fotodetektoren har store potensielle bruksområder i UV overvåking, optisk bryter, flamme alarm, og missil oppvarming system 20-21. Det finnes mange typer fotodetektorer som er utført slik som positiv egenverdi negative (pin) modus og metall-halvleder-metal (MSM) strukturer inkludert Ohmsk kontakt og Schottky kontakt. Hver type har sine egne fordeler og ulemper. Foreløpig har MSM fotodetektor strukturer tilt intensiv interesse på grunn av sin enestående ytelse i responsivitet, pålitelighet og respons og utvinning tid 22-24. Resultatene som presenteres her viser at MSM ohmske kontaktmodus ble benyttetå dikte ZnO tynn film basert UV fotodetektoren. En slik type fotodetektor viser vanligvis en god responsivitet og pålitelighet, noe som indikerer at den høye c-aksen ZnO tynn film er en egnet følende lag for UV-fotodetektoren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trinn og modifikasjoner
I trinn 1, skal underlag rengjøres grundig og trinn 1.3 til 1.5 følges for å være sikker på at det ikke er fett eller organiske og uorganiske forurensninger på underlag. Fett eller organiske og uorganiske forurensninger på underlagets overflate vil redusere adhesjonen av filmen.
Trinn 2 er den viktigste fremgangsmåten før ZnO filmfremstillingsprosessen. DEZn er svært giftig og voldsomt reagerer med vann og lett antennes …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble finansielt støttet av departementet for vitenskap og teknologi og National Science Council of Republic of China (kontrakts nos. NSC 101-2221-E-027-042 og NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei takket National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) for Dr. Shechtman Prize Award.
Materials
| RF power supply | ADVANCED ENERGY | RFX-600 | |
| Butterfly valve | MKS | 253B-1-40-1 | |
| Mass flow conctroller | PROTEC INSTRUMENTS | PC-540 | |
| Pressure conctroller | MKS | 600 series | |
| Heater | UPGRADE INSTRUMENT CO. | UI-TC 3001 | |
| Sputter gun | AJA INTERNATIONAL | A320-HA | |
| DEZn 1.5M | ACROS ORGANIC USA, New Jersey | also called Diethylzinc (C2H5)2Zn | |
| Spin coater | SWIENCO | PW – 490 | |
| I-V measurement | Keithley | Model: 2400 | |
| Photocondutive measurement | Home-built | ||
| UV light sourse | Panasonic | ANUJ 6160 | |
| Mask aligner | Karl Suss | MJB4 | |
| Photoresist | Shipley a Rohm & Haas company | S1813 | |
| Developer | Shipley a Rohm & Haas company | MF319 | |
| Silicon wafer | E-Light Technology Inc | 12/0801 | |
| Glass substrate | CORNING | 1737 | P-type / Boron |
References
- Choppali, U., Kougianos, E., Mohanty, S. P., Gorman, B. P. Influence of annealing on polymeric derived ZnO thin films on sapphire. Thin Solid Films. 545, 466-470 (2013).
- Bedia, F. Z., et al. Effect of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray pyrolysis technique. J. Alloy. Compd. 616, 312-318 (2014).
- Liu, W. S., Wu, S. Y., Hung, C. Y., Tseng, C. H., Chang, Y. L. Improving the optoelectronic properties of gallium ZnO transparent conductive thin films through titanium doping. J. Alloy. Compd. 616, 268-274 (2014).
- Baik, K. H., Kim, H., Kim, J., Jung, S., Jang, S. Nonpolar light emitting diode with sharp near-ultraviolet emissions using hydrothermally grown ZnO on p-GaN. Appl. Phys. Lett. 103, 091107 (2013).
- Han, S. J., Huang, W., Shi, W., Yu, J. S. Performance improvement of organic field-effect transistor ammonia gas sensor using ZnO/PMMA hybrid as dielectric layer. Sens Actuator B-Chem. 203, 9-16 (2014).
- Chizhov, A. S., et al. Visible light activated room temperature gas sensors based on nanocrystalline ZnO sensitized with CdSe quantum dots. Sens Actuator B-Chem. 205, 305-312 (2014).
- Li, C., et al. Effects of substrate on the structural, electric and optical properties of Al-doped ZnO films prepared by radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 517, 3265-3268 (2009).
- Ellmer, K. Resistivity of polycrystalline zinc oxide films: current status and physical limit. J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3097 (2001).
- Wang, F. G., et al. optical and electrical properties of Hf-doped ZnO transparent conducting films prepared by sol-gel method. J. Alloy. Compd. 623, 290-297 (2015).
- Senay, V., et al. ZnO thin film synthesis by reactive radio frequency magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 318, 2-5 (2014).
- Chi, P. W., Su, C. W., Jhuo, B. H., Wei, D. H. Photoirradiation caused controllable wettability switching of sputtered highly aligned c-axis-oriented zinc oxide columnar films. Int. J. Photoenergy. 2014, 765209 (2014).
- Jamal, R. K., Hameed, M. A., Adem, K. A. Optical properties of nanostructured ZnO prepared by a pulsed laser deposition technique. Mater. Lett. 132, 31-33 (2014).
- Kobayashi, T., Nakada, T. Effects of post-deposition on transparent conductingZnO:B thin films grown by MOCVD. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 05FA03 (2014).
- Chao, C. H., et al. Postannealing effect at various gas ambients on ohmic contacts of Pt/ZnO nanobilayers toward ultraviolet photodetectors. Int. J. Photoenergy. 2013, 372869-1155 (2013).
- Barankin, M. D., Gonzalez II, E., Ladwig, A. M., Hicks, R. F. Plasma-enhanced chemical vapor deposition of zinc oxide at atmospheric pressure and low temperature. 91, 924-930 (2007).
- Fons, P., et al. Uniaxial locked epitaxy of ZnO on the α face of sapphire. Appl. Phys. Lett. 77, 1801 (2000).
- Ko, H. J., Chen, Y., Hong, S. K., Yao, T. a. k. a. f. u. m. i. MBE growth of high-quality ZnO films on epi-GaN. J. Cryst. Growth. 209, 816-821 (2000).
- Park, D. J., Lee, J. Y., Park, T. E., Kim, Y. Y., Cho, H. K. Improved microstructural properties of a ZnO thin film using a buffer layer in-situ annealed in argon ambient. Thin Solid Films. 515, 6721-6725 (2000).
- Kim, M. S., et al. Nitrogen-passivation effects of Si substrates on the properties of ZnO epitaxial layers grown by using plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Korean Phys. Soc. 56, 827-831 (2010).
- Li, G. M., Zhang, J. W., Hou, X. Temperature dependence of performance of ZnO-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Sens. Actuator A-Phys. 209, 149-153 (2014).
- Wang, X. F., et al. superhigh gain visible-blind UV detector and optical logic gates based on nonpolar a-axial GaN nanowire. Nanoscale. 6, 12009-12017 (2014).
- Inamdar, S. I., Rajpure, K. Y. High-performance metal-semiconductor-metal UV photodetector based on spray deposited ZnO thin films. J. Alloy. Compd. 595, 55-59 (2014).
- Tian, C. G., et al. Effects of continuous annealing on the performance of ZnO based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Mater. Sci. Eng. B-Adv. Funct.Solid-State Mater. 184, 67-71 (2014).
- Chen, H. Y., et al. Realization of a self-powered ZnO MSM UV photodetector with high responsivity using an asymmetric pair of Au electrodes. J. Mater. Chem. C. 2, 9689-9694 (2014).
- Subramanyam, T. K., Srinivasulu Naidu, ., S, S., Uthanna, Effect of substrate temperature on the physical properties of DC reactive magnetron sputtered ZnO films. Opt. Mater. 13, 239-247 (1999).
- Iwanaga, H., Kunishige, A., Takeuchi, S. Anisotropic thermal expansion in wurtzite-type crystals. J. Mater. Sci. 35, 2451-2454 (2000).
- Okaji, M. Absolute thermal expansion measurements of single-crystal silicon in the range 300-1300 K with an interferometric dilatometer. Int. J. Thermophys. 9, 1101-1109 (1988).
- Pearse, R. W. B., Lichtenberg, A. J. . The identification of molecular spectra. , (1976).
- Chao, C. H., Wei, D. H. Growth of non-polar ZnO thin films with different working pressures by plasma enhanced chemical vapor deposition. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 11RA05 (2014).
- Lin, B., Fu, Z., Green Jia, Y. luminescent center in undoped zinc oxide films deposited on silicon substrate. Appl. Phys. Lett. 79, 943-945 (2001).
- Koida, T., et al. Radiative and nonradiative excitonic transitions in nonpolar (110) and polar (000) and (0001) ZnO epilayers. Appl. Phys. Lett. 84 (110), 1079 (2004).
